Страница 15 из 34
По универсальности воздействия фокусированный ультразвук похож на электрический стимул, однако для успешного использования в каждом конкретном случае должен быть найден соответствующий режим воздействия. Если сенсорную систему сравнить с замком (возбудить ее — значит открыть замок), то ультразвук нельзя сравнивать с ключом, открывающим замок. Правильнее принять его за болванку такого ключа. Если в некоторых случаях, например при действии ультразвука на зрительную или вестибулярную системы, ключ не найден, т. е. не удалось получить активирующего воздействия, это еще не означает, что активация в принципе невозможна. Необходимо продолжить поиски активирующего режима ультразвукового воздействия. А что вообще такое «режим воздействия»? Иногда его называют дозой по аналогии, например, с дозой лекарства. Для достижения лечебного эффекта доза может быть разовой или многократной, неизменной при последующих приемах, возрастающей или убывающей. Принимать лекарство можно в высокой концентрации, предварительно разводить его, до еды, после и так далее. В общем замена «режима» «дозой» мало что проясняет.
Продолжим наше сравнение ультразвука, вернее — ультразвукового режима воздействия, с ключом, открывающим определенный замок, т. е. вызывающим активацию той или иной рецепторной или нервной структуры. Ключ может быть короче или длиннее, больше или меньше, открывать замок с одного или нескольких поворотов и т. п. Но во всех случаях он изготавливается из одной «болванки-ультразвука». В каждом режиме имеет значение место воздействия, включающее глубину от поверхности тела, объем и акустические свойства тканей, подвергающихся активации в фокальной области излучателя, а также расположенных по пути следования ультразвука от поверхности излучателя до фокальной области. Имеет значение частота ультразвука, интенсивность и длительность разового воздействия, необходимость однократного или многократного воздействий. В последнем случае бывает важна частота следования повторных включений и общее число стимулов.
Оптимальный режим может включать все или некоторые перечисленные компоненты, а также ряд других, здесь не указанных. Например, для активации тактильных рецепторов не важна частота ультразвука (в пределах диапазона 0.5—4 МГц), зато должна быть учтена амплитуда смещения среды в фокальной области, длительность стимулов, крутизна их переднего и заднего фронтов. Подробнее о тактильной рецепции будет рассказано дальше. Здесь лишь отметим, что минимальная длительность стимулов, при которых тактильные пороги будут самыми низкими, составляет 1—5 мс при условии, что стимулы прямоугольные по форме. Кроме того, пороги будут самыми низкими при частоте следования стимулов около 250 в секунду. Приведенный пример показывает также, что оптимальный режим воздействия может включать и такой критерий, как пороговая ответная реакция (порог тактильного ощущения).
Оптимальный режим — понятие совершенно конкретное по отношению к структуре, для которой выявляется возможность активации, или, следуя нашему сравнению, изготавливается ключ. Бывает, однако, ситуация, когда одним ключом можно открыть несколько замков. Действительно, обнаружены разные структуры, режимы активации которых весьма сходны. Но здесь мы вторгаемся уже в другую область — в изучение общих свойств различных органов чувств на основе сходства режимов активации.
Во всех исследованиях, когда применялись стимулы длительностью до 10 мс, тепловое действие ультразвука было настолько мало, что им можно пренебречь. Активация была связана с другими факторами, среди них — влияние знакопеременных колебаний ультразвуковой частоты. Природа влияния такого рода пока окончательно не ясна: могут иметь значение выделение биологически активных веществ, колебания собственных структур живых клеток, равно как и некоторые другие причины, о которых речь пойдет ниже.
Сопоставление с другими раздражителями
Когда с помощью ультразвука активируют те или иные структуры и регистрируют ответные реакции, будь то ощущения человека или электрические сигналы нервных единиц животных, возникает вопрос о сопоставлении ультразвукового влияния с действием адекватных раздражителей, т. е. тех естественных стимулов, на которые структуры приспособлены реагировать: тактильные ощущения обычно возникают при действии механических стимулов, вкусовые — химических и так далее.
Ультразвуковое воздействие по своей физической природе является механическим. Однако обычно механические колебания сопровождаются рядом других эффектов, зависящих от свойств биологических тканей в области воздействия, режимов ультразвуковой аппликации и пр. Речь идет, в частности, о выделении большего или меньшего количества тепла, биологически активных веществ, появления физико-химических эффектов, которые могут оказаться непосредственной причиной функционального влияния ультразвука.
Сопоставление ультразвука с адекватными раздражителями способствует выявлению действующих факторов ультразвукового стимула и места их приложения. Действующие факторы могут не совпадать по своей физической природе с адекватными раздражителями. Именно несовпадение зачастую открывает дополнительные возможности для изучения механизма адекватной стимуляции. Когда, например, было установлено, что действующим фактором ультразвукового стимула, определяющим появление ощущений тепла и холода, является механическое смещение, возник вопрос о его значении для температурной рецепции в естественных условиях. Результатом последующих исследований была новая гипотеза температурной рецепции (см. ниже).
При сравнении ультразвукового и адекватного (звукового) воздействий на слуховой лабиринт животных и человека оказалось, что место активирующего воздействия обоих раздражителей не одно и то же. Известно, что звуковые колебания, пройдя наружное и среднее ухо, активируют рецепторный слуховой аппарат лабиринта. При очень большой интенсивности звука иногда они одновременно могут активировать и вестибулярный аппарат, деятельность которого обеспечивает ощущение равновесия в пространстве. Раздражение звуком вестибулярного аппарата известно в клинике под названием феномена Туллио.
С помощью ультразвука тоже удается вызвать у человека слуховые ощущения, а у животных — электрические реакции в слуховых центрах мозга. А вот вестибулярных реакций получено не было. Ответы на ультразвук во многом похожи на реакции при естественной звуковой стимуляции. Но были обнаружены и различия. Именно различия позволили вначале предположить, а потом экспериментально доказать, что местом активации ультразвуком слуховой системы является не только рецепторный аппарат, но и проводниковые нервные структуры ушного лабиринта, а также волокна слухового нерва (см. ниже). Впервые установленная способность ультразвука активировать волоконные лабиринтные структуры и волокна позволила приступить не только к пересмотру существующих представлений о функции слухового рецепторного аппарата, но и к разработке новых способов диагностики различных заболеваний слуховой системы (глава 4). Появилась возможность «коснуться невидимого», заставить «звучать» ранее «немые» участки слуховой системы, чтобы выявить, здоровы они или больны, можно ли с помощью их активации пытаться восстановить утраченный или резко пониженный слух.
В каждом конкретном случае для анализа полученных эффектов необходимо выявить непосредственно действующие факторы ультразвукового стимула, являющиеся причиной ответной реакции. Один из способов — сопоставление ответных пороговых реакций на ультразвуковые и адекватные стимулы.
Однако прямое сопоставление в ряде случаев оказывается невыполнимым. Рассмотрим один такой случай. При действии ультразвука на слуховой лабиринт человека и животных можно вызвать ответные реакции, аналогичные реакциям на естественный, звуковой стимул. У человека изучают слуховые ощущения, у животных — зарегистрированные из слуховых центров мозга электрические потенциалы. Известно, что естественный акустический стимул через аппарат звукопроведения оказывает на рецепторы механическое воздействие. А в случае ультразвуковой аппликации? Пороговые электрические ответы из слуховых областей среднего мозга лягушки можно вызвать ультразвуком, интенсивность которого в фокальной области составляет менее 1 Вт/см2. Это соответствует смещениям среды в фокальной области порядка от тысячных до десятых долей микрометра, т. е. величинам смещений жидкостей и мембран лабиринта лягушки, вызванных естественной акустической стимуляцией. Казалось бы, в обоих случаях играет роль механический фактор. Однако, когда у человека измеряли пороги слуховых ощущений, вызванных короткими стимулами звука и ультразвука, обнаружились различия ощущений по критерию длительности стимула. Опыты проводились следующим образом. Одним и тем же испытуемым предъявляли стимулы звука и ультразвука разной длительности и определяли порог слуховых ощущений. Оказалось, что наименьшие пороги регистрировали при действии звуков длительностью 100 мс и более. При действии ультразвука минимальная величина порогов была уже при длительности стимулов 1 мс. Разница на два порядка при высокой стабильности результатов у разных испытуемых не могла быть случайной. Возникло предположение о разных местах конечного, активирующего воздействия для стимулов звука и ультразвука, для первого — рецепторный аппарат, для второго — проводниковые лабиринтные нервные структуры и волокна слухового нерва.